[論文レビュー] Dissipative phase locking of exciton-polariton condensates

Hamid Ohadi, Rachel Gregory+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2014

Strong Light-Matter Interactions参考文献 1被引用数 31

ひとこと要約

本論文は、非共鳴パルス励起と空間的光変調を用いて、空間的に分離された励起子ポラリトン凝縮体における散逸的位相ロックを実験的に示した。位相相関は、共鳴的ボールティック結合ではなく、放出されたポラリトンによるエネルギー損失に起因する。主な結果として、凝縮体の配置に応じて位相が同相または反相状態にロックされ、三角形配列では$\pm 2\pi/3$の位相差を持つトポロジカルなヴォルテックス状態が形成されることを確認した。実験とランジュバンノイズを含むGPシミュレーションにより裏付けられた。

ABSTRACT

We demonstrate, both experimentally and theoretically, a new phenomenon: the presence of dissipative coupling in the system of driven bosons. This is evidenced for a particular case of externally excited spots of exciton-polariton condensates in semiconductor microcavities. We observe that for two spatially separated condensates the dissipative coupling leads to the phase locking, either in-phase or out-of-phase, between the condensates. The effect depends on the distance between the condensates. For several excited spots, we observe the appearance of spontaneous vorticity in the system.

研究の動機と目的

• 空間的に分離された励起子ポラリトン凝縮体における位相ロックの物理的メカニズムを、従来の共鳴的ボールティック結合を超えて特定すること。
• 散逸的結合（放出ポラリトンに起因するエネルギー損失によって駆動）が安定な位相ロック状態を生じさせることを実証すること。
• 凝縮体の幾何学的配置、分離距離、および平面内波数ベクトルが位相相関およびヴォルテックス形成に与える影響を調査すること。
• 三角形配列において、位相差$\pm 2\pi/3$が、巻き数$+1$または$-1$のトポロジカルに異なるヴォルテックス状態を形成することを示すこと。

提案手法

• 非共鳴パルス励起と空間的光変調を用いて、2および3凝縮体配列の実験的実現。
• 時間積分およびエネルギー分解能のある近場フォトルミネッセンス像を用いて、凝縮体の位相および運動量を測定。
• 75回の実行で位相ロックダイナミクスをシミュレートするため、ランジュバンノイズを含むグロス＝ピタエフスキー方程式の使用。
• 位相差と放出ポラリトン強度を結びつける損失関数の導出：$ I \propto \left[1 + \frac{2}{N} \sum_{n,n'} \cos(\theta_n - \theta_{n'}) J_0(k_c |\mathbf{R}_n - \mathbf{R}_{n'}|) \right] $。
• ストリークカメラを用いたミケルソン干渉計による時間分解能を有する干渉測定。
• 損失関数におけるベッセル関数の依存性の分析により、$k_c a$の関数として周期的となる位相遷移を説明。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共鳴的ボールティック結合が成立しない場合、空間的に分離された励起子ポラリトン凝縮体間の位相ロックを駆動するメカニズムは何か？
• RQ2 凝縮体間の分離距離が相対位相に与える影響は何か？ また、同相と反相ロックの遷移を決定づける要因は何か？
• RQ3 散逸的結合が、三角形配列における$\pm 2\pi/3$の位相差といった非自明な位相パターンの出現を説明できるか？
• RQ4 流出ポラリトンの平面内波数ベクトル$k_c$は、位相ロック状態を決定づける役割を果たすか？
• RQ5 巻き数$+1$および$-1$のトポロジカルなヴォルテックス状態は、どのように三角格子における位相ロック凝縮体から生じるか？

主な発見

• 2凝縮体間の位相ロックは、分離距離に応じて位相差0または$\pi$に現れ、$k_c a$の関数として急激な遷移が観測された。
• 散逸的結合メカニズムにより、$L = \pi/k_c$未満の分離距離における反相ロックが説明可能であり、これは共鳴的ボールティック結合の予測とは矛盾する。
• 三角形配列では、すべての凝縮体が同相にある場合、または隣接する凝縮体が$\pm 2\pi/3$の位相差を持つ場合に損失関数が最小化され、トポロジカルに異なるヴォルテックス状態に対応する。
• ランジュバンノイズを含むシミュレーションにより、運動量空間におけるヘキサゴナル干渉パターンが、$2\pi/3$の位相差を持つ時計回りおよび反時計回りのヴォルテックス状態の統計的混合に起因することが確認された。
• エネルギー分解能のある実空間像により、凝縮体間の干渉縞が凝縮体と同じエネルギーにあることが確認され、位相相関が制約効果とは異なることを証明した。
• 損失関数$ I \propto 1 + J_0(k_c a)\cos(\theta)$におけるベッセル関数の依存性が、実験的に観測された周期的で非正弦波的な位相遷移を説明している。